張文斌 王 杰 陳征宇

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310020）

有機(jī)熱載體鍋爐因其“低壓高溫”的特性在印染、化工、輕紡等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。由于有機(jī)熱載體鍋爐排煙溫度較高，節(jié)能潛力巨大，是工業(yè)鍋爐節(jié)能的重要目標(biāo)，有必要對(duì)有機(jī)熱載體鍋爐能效測(cè)試方法進(jìn)行研究。

1 有機(jī)熱載體鍋爐能效測(cè)試現(xiàn)狀

1.1 無(wú)法達(dá)到定型能效測(cè)試所要求的額定工況

按照《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》（TSG G0002—2010）[1]的要求，鍋爐制造單位應(yīng)向使用單位提供鍋爐產(chǎn)品定型測(cè)試報(bào)告，定型測(cè)試不符合能效要求的，制造廠家不得繼續(xù)制造該型號(hào)的鍋爐產(chǎn)品?！队袡C(jī)熱載體鍋爐》（GB/T 17410—2008）[2]也要求鍋爐批量生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)應(yīng)包括熱效率測(cè)試，而熱效率測(cè)試的困難在于正平衡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。上述規(guī)程中規(guī)定，鍋爐產(chǎn)品定型測(cè)試應(yīng)在鍋爐額定工況條件（97%～105%負(fù)荷）下進(jìn)行，但由于絕大多數(shù)有機(jī)熱載體鍋爐用在紡織印染行業(yè)，受企業(yè)工廠工藝、連續(xù)生產(chǎn)和實(shí)際熱負(fù)荷需要所限制，目前在用的有機(jī)熱載體鍋爐基本上沒(méi)有工作在額定工況，因此很難找出完全符合定型測(cè)試工況條件要求的有機(jī)熱載體鍋爐進(jìn)行定型測(cè)試。故現(xiàn)在有機(jī)熱載體爐的定型測(cè)試陷入了一個(gè)尷尬的狀況：對(duì)制造廠家而言，廠內(nèi)測(cè)試成本太高，每個(gè)制造單位搭建測(cè)試平臺(tái)不現(xiàn)實(shí)；在使用單位測(cè)試，則測(cè)試工況受制于企業(yè)生產(chǎn)工況，測(cè)試條件得不到保障。故鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程頒布以來(lái)，有機(jī)熱載體鍋爐的測(cè)試一直未能很好地推進(jìn)。

1.2 有機(jī)熱載體流量測(cè)試可靠性差

有機(jī)熱載體鍋爐以有機(jī)熱載體為循環(huán)傳熱的介質(zhì)，一般都是閉式循環(huán)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，絕大多數(shù)情況下無(wú)法拆開(kāi)管路安裝渦輪、渦街等接觸式流量計(jì)。有些鍋爐系統(tǒng)本身配備了此類(lèi)流量計(jì)，但很多往往沒(méi)有有效的校驗(yàn)憑證，不能作為流量測(cè)試的依據(jù)。因此，有機(jī)熱載體流量的測(cè)量一般只能采用非接觸式的測(cè)量方式，目前可行的就是超聲波流量計(jì)。但超聲波流量計(jì)使用時(shí)需要輸入被測(cè)液體的物性參數(shù)，由于缺乏各牌號(hào)有機(jī)熱載體在不同工作溫度下的相關(guān)物性數(shù)據(jù)，往往只能以經(jīng)驗(yàn)值代替，由此造成有機(jī)熱載體流量測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，嚴(yán)重影響正平衡效率測(cè)試的準(zhǔn)確性。

1.3 有機(jī)熱載體物性數(shù)據(jù)缺乏

正平衡效率的測(cè)試及計(jì)算過(guò)程中需要準(zhǔn)確知道有機(jī)熱載體的運(yùn)動(dòng)粘度、比熱（或焓值）、密度等物性數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)際調(diào)研，有機(jī)熱載體制造廠家往往不能提供相關(guān)油品在高溫下的物性數(shù)據(jù)，即使部分廠家提供相關(guān)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性、可靠性存疑。特別對(duì)于同一種牌號(hào)的有機(jī)熱載體，由于使用溫度、使用時(shí)間的不同，物性的變化情況又有所不同，這些因素造成不能獲得準(zhǔn)確可靠的有機(jī)熱載體爐正平衡能效測(cè)試結(jié)果。

2 有機(jī)熱載體能效測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

為克服以上三個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并搭建了可移動(dòng)有機(jī)熱載體鍋爐統(tǒng)一能效測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)利用自制換熱器代替用熱設(shè)備，采用測(cè)量換熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度和循環(huán)流量計(jì)算換熱量的方式，利用熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，避開(kāi)了目前導(dǎo)熱油物性參數(shù)和循環(huán)流量測(cè)量可靠性差的難題。此外，換熱器具有不同高度的出水口，實(shí)際測(cè)試中可通過(guò)調(diào)節(jié)水位高度、水流量等適應(yīng)不同負(fù)荷的鍋爐。設(shè)計(jì)中可由不同鍋爐負(fù)荷計(jì)算出所需換熱面積，制作相應(yīng)面積范圍的換熱器，因而可實(shí)現(xiàn)異地一系列負(fù)荷有機(jī)熱載體鍋爐的能效測(cè)試。依托有機(jī)熱載體鍋爐能效測(cè)試平臺(tái)的能效測(cè)試方法研究，在國(guó)內(nèi)尚屬首創(chuàng)。

2.1 能效測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)組成

有機(jī)熱載體鍋爐測(cè)試平臺(tái)包含儲(chǔ)液槽（低位槽）、循環(huán)泵、換熱器、閥門(mén)管道以及測(cè)試儀表等部件，各部件布置緊湊，均固定于鋼架平臺(tái)之上，吊裝、移動(dòng)方便，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本平臺(tái)采用注入式工作系統(tǒng)，有機(jī)熱載體經(jīng)注油泵，從儲(chǔ)液槽注入系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)液槽上方的膨脹回收接管有回油時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)已充滿油。有機(jī)熱載體爐加熱后的高溫有機(jī)熱載體從換熱器進(jìn)口（上）集箱進(jìn)入，換熱后的低溫油由出口（下）集箱排出換熱器，再由循環(huán)泵打入有機(jī)熱載體爐繼續(xù)加熱，往復(fù)循環(huán)。換熱器內(nèi)油側(cè)為蛇形換熱管束，換熱管束外的吸熱介質(zhì)為水，在進(jìn)出水管上同時(shí)安裝有流量計(jì)和溫度計(jì)。換熱器頂部設(shè)置有排氣口，用于排放水側(cè)受熱后所蒸發(fā)的水蒸氣，保證了換熱器箱體常壓運(yùn)行，確保測(cè)試系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定。卸油泵（注油泵）接口在系統(tǒng)最低點(diǎn)，當(dāng)測(cè)試完畢后，可將系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)熱載體完全卸放至儲(chǔ)液槽中，以便下次測(cè)試。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2.2 能效測(cè)試平臺(tái)測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，調(diào)節(jié)換熱器內(nèi)水流量使有機(jī)熱載體爐達(dá)到穩(wěn)定額定工作狀態(tài)。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)記錄的進(jìn)出口水溫和流量計(jì)算出實(shí)際換熱量，與鍋爐額定負(fù)荷時(shí)的理論換熱量進(jìn)行比較，從而得出有機(jī)熱載體鍋爐的換熱效率，并作為鍋爐正平衡測(cè)試效率。

●2.2.1 鍋爐正平衡測(cè)試效率計(jì)算

有機(jī)熱載體鍋爐正平衡測(cè)試效率計(jì)算公式[1]為

式中：

G —— 換熱器中循環(huán)水流量，kg/h；

hjs—— 換熱器進(jìn)水焓，kJ/kg；

hcs—— 換熱器出水焓，kJ/kg；

B —— 燃料消耗量，m3/h；

Qr—— 換熱器輸入熱量，kJ/m3。

●2.2.2 鍋爐反平衡測(cè)試效率計(jì)算

有機(jī)熱載體鍋爐反平衡測(cè)試效率計(jì)算公式[1]為

表1 燃料收到基成分分析（%）

●3.1.3 正平衡方法測(cè)試結(jié)果

由表2測(cè)試項(xiàng)目查表可得換熱器中水的進(jìn)、出口焓值，由式（1）計(jì)算得到鍋爐的正平衡效率為91.0%（工況1）、91.3%（工況2）。

表2 鍋爐正平衡測(cè)試項(xiàng)目

●3.1.4 反平衡方法測(cè)試結(jié)果

由表3測(cè)試數(shù)據(jù)，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[1]中的相關(guān)計(jì)算可得到反平衡測(cè)試中的各項(xiàng)熱損失，見(jiàn)表4。

式中：

q2—— 排煙熱損失，%；

q3—— 氣體未完全燃燒熱損失，%；

q4—— 固體未完全燃燒熱損失，%；

q5—— 散熱損失，%；

q6—— 灰渣物理熱損失，%。

表3 鍋爐反平衡測(cè)試項(xiàng)目

3 能效測(cè)試平臺(tái)試用案例（測(cè)試實(shí)例）

3.1 燃?xì)忮仩t

●3.1.1 鍋爐基本情況

鍋爐型號(hào)為 YY（Q)W-3500Y（Q)，額定熱功率3.5MW，最高允許工作壓力1.0MPa，額定出口油溫300℃，額定進(jìn)口油溫279℃，設(shè)計(jì)燃料為天然氣。爐膛輻射受熱面積30.86m2，對(duì)流蒸發(fā)受熱面積162.06m2，本體總受熱面積192.92m2，空氣預(yù)熱器受熱面積141.6m2。測(cè)試為2個(gè)額定負(fù)荷工況，每工況正式試驗(yàn)時(shí)間2h。

●3.1.2 燃料特性

根據(jù)表1所測(cè)的天然氣成分，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[1]中的相關(guān)計(jì)算，可得到燃料收到基低位發(fā)熱量為35057kJ/m3。

表4 鍋爐反平衡效率計(jì)算（%）

3.2 燃生物質(zhì)鍋爐

●3.2.1 鍋爐基本情況

鍋爐型號(hào)為YLW-1600S，額定熱功率1.6MW，額定壓力0.8MPa，額定出口油溫280℃，額定進(jìn)口油溫260℃，設(shè)計(jì)燃料為生物質(zhì)成型顆粒。爐膛輻射受熱面積24m2，對(duì)流蒸發(fā)受熱面積43.9m2，空氣預(yù)熱器受熱面積65m2，總受熱面積132.9m2。測(cè)試為2個(gè)額定負(fù)荷工況，每工況正式試驗(yàn)時(shí)間2h。

●3.2.2 燃料特性

化驗(yàn)得到燃料收到基成分（見(jiàn)表1）及低位發(fā)熱量為14600kJ/kg。

表5 燃料收到基成分分析（%）

●3.2.3 正平衡方法測(cè)試結(jié)果

由表6測(cè)試項(xiàng)目查表可得換熱器中水的進(jìn)、出口焓值，由式（1）計(jì)算得到鍋爐的正平衡效率為80.6%（工況1）、81.2%（工況2）。

表6 鍋爐正平衡測(cè)試項(xiàng)目

●3.2.4 反平衡方法測(cè)試結(jié)果

由表7測(cè)試數(shù)據(jù)，由GB/T 10180—2013《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》[1]中的相關(guān)計(jì)算可得到反平衡測(cè)試中的各項(xiàng)熱損失，見(jiàn)表8。

表7 鍋爐反平衡測(cè)試項(xiàng)目

表8 鍋爐反平衡效率計(jì)算（%）

3.3 測(cè)試平臺(tái)可靠性分析

考慮換熱器熱效率經(jīng)驗(yàn)值98%～99%，取其平均值98.5%，由此計(jì)算得到鍋爐效率之差，見(jiàn)表9、表10。YY（Q)W-3500Y（Q)與 YLW-1600S 的效率之差皆滿足TSG G0003—2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》第3.2.2條的規(guī)定，“每次測(cè)試的正平衡與反平衡的效率之差應(yīng)當(dāng)不大于5%，正平衡或者反平衡各自兩次測(cè)試測(cè)得的效率之差均應(yīng)當(dāng)不大于2%，燃油、燃?xì)夂碗娂訜徨仩t各種平衡的效率之差應(yīng)當(dāng)不大于1%”。因此，采用統(tǒng)一能效測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)測(cè)量換熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度和循環(huán)流量計(jì)算換熱量的方法，所得測(cè)試數(shù)據(jù)有效。

表9 YY(Q)W-3500Y(Q)效率之差

表10 YLW-1600S效率之差

4 結(jié)論

1）提出一種新型有機(jī)熱載體能效測(cè)試方法，設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)可拆裝的統(tǒng)一能效測(cè)試平臺(tái)。其自制換熱器可設(shè)計(jì)為不同換熱面積，從而實(shí)現(xiàn)異地，對(duì)一系列負(fù)荷的有機(jī)熱載體進(jìn)行定型能效測(cè)試。

2）自制換熱器水為冷卻介質(zhì)，將物性參數(shù)缺乏、高溫流量測(cè)量困難的有機(jī)熱載體測(cè)量和計(jì)算，利用熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，轉(zhuǎn)換為技術(shù)成熟的冷卻水進(jìn)出口流量和溫度的測(cè)量與計(jì)算，測(cè)量方便。實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明該方法符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能效測(cè)試準(zhǔn)確度提高。

[1]GB/T 10180—2003 工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]GB/T 17410—2008 有機(jī)熱載體鍋爐[S].

[3]TSG G0003—2010 工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則[S].